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超声波焊接原理
晶体管超声波放大器(一)
来源: 时间:2022-10-09

超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的,也可以是多级的,主要看输出功率的需要。早期的超声波发生器是用电子管做放大器件,现在则普遍采用晶体管(三极管、场效应管和IGBT器件)。近年来越来越多的厂家采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。


目前工业上广泛使用的超声波发生器基本上被晶体管电路所垄断。晶体管发生器的优点在于体积小、重量轻、效率高。但从另一方面讲,由于受到反向击穿电压、最大集电极电流、最大集电极耗散功率参数的限制,通常一对晶体管的最大输出功率只能达到百瓦级。要提高晶体管发生器的输出能力,除了有赖于高性能器件的开发外,还必须采用高效率的电路。


传统的甲类、乙类、丙类放大器是把有源器件(例如晶体管为讨论对象)作为电流源工作。在这些放大器中,晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流受基极激励信号控制作相应变化,而集电极电压是正弦波或正弦波的一部分。因此集电极在信号一周内同时存在颇大的电流和电压,要消耗相当一部分功率,这就是传统放大器的能量转换效率受限制的主要原因。开关模式放大器(丁类)在提高放大器效率方面做了质的改革,它把有源器件作为接通/断开的开关运用。晶体管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区。当晶体管被激励而接通时进入饱和区,断开时进入截止区。由于晶体管饱和压降很低,集电极功耗降到最低限度,提高了放大器的能量转换效率。一般在理想的晶体管条件下(饱和压降为零,饱和电阻为零,断开电阻为无穷大,开关时间为零),属于开关模式工作的丁类放大器,理论效率为100%,实际效率可达90%以上。而通常的甲类放大器效率只有50%,乙类效率为78. 5%.从中看出开关模式功率放大器在功率超声的应用中具有相当大的实际意义。


①丁类放大器。与其他放大电路(甲类、甲乙类、乙类以及丙类)不同,丁类放大电路是工作在开关状态的,其输出为方波。只有在输出端加接一个谐振网络后,才能够得到正弦波。另外,这种电路的调制比较困难。上述这两点,在别的场合下会带来不便,而对超声发生器却不会产生任何额外问题。这是因为,超声发生器的匹配回路本来就具有调谐功能,而加到换能器上的电信号又不需要调制。因此,丁类放大电路在超声发生器中应用很广。下面介绍最常见的电压型丁类放大电路,如图3-8所示。


图3-8中,T为输入变压器,它把输入的激励信号分成幅度相等而相位相反的两部分,分别送给两个功放管0102 。激励信号可以是方波,也可以是正弦波,前者的效率更高一些。但无论激励信号是哪种波形,都必须保证把功放管驱入饱和状态。在激励信号的正半周,01被驱入饱和态,其饱和管压降为03,故A点电压为04 。在负半周时,01截止,02 饱和,A点电压即等于02的饱和压降05 。这样,在A点处可得到一个方波电压。如果电容C和电感L在激励信号的频率上谐振,则只有基频电流可以流过负载,于是在负载06上得到一个正弦波形的电压(图3-9).利用傅里叶级数展开,可以求出此电压的幅值为07 。因此,负载所得到的功率为


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